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甘代顺
四川省乐山市金河工业硅研究所 所长
摘要:研究分析了我国工业硅电炉的基本状况,详细论述了现阶段我国工业硅电炉发展情况以及存在的问题;最后提出适合我国国情工业硅炉技术装备发展的趋势。
1.我国工业硅电炉设备概述
工业硅电炉设备主要由炉体、供电系统、电极系统、加料系统、冷却水系统、检测和控制系统、排烟系统及辅助设备等组成。
1.1.电炉炉体
电炉炉体由炉壳、炉衬和出铁口构成。电极下部是最主要的反应区，在这里，电能通过电弧和电阻转化成热能。炉膛的几何尺寸，包括炉膛直径、炉膛深度、电极极心圆直径对炉内电流分布和热分布影响很大，是电炉设计的最重要参数。由于全国各地的供电条件及电压等级不同,原料资源差异更大,生产技术水平参差不齐,因此选择的工业硅炉参数就要求不同。由于我国工业硅炉设计很不规范,参数合理的工业硅炉并不多,而因参数不合理造成工业硅炉运行不正常,生产技术经济指标差的工业硅炉大量存在。
我国绝大部分工业硅炉炉体的结构型式是敞口式高烟罩炉体和半密闭式矮烟罩炉体。采用无渣法工艺生产工业硅的电炉炉膛内部温度分布很不均匀，离电极较远的区域容易形成死料区。为了改善炉膛温度分布，增大熔炼区面积。甘肃蓝星硅材料公司引进德马克技术改造了25000KVA电石炉进行工业硅生产,电炉装设炉体旋转机构，炉体在水平方向上单向转动或往复120转动。视操作要求，炉膛旋转周期为2～10d。采用淋水冷却炉壳，炉底通风冷却和测温有助于改善炉衬工作条件，延长炉衬寿命。
1.2.电炉供电系统
1.2.1.电炉变压器
国内10000KVA以上的大中型电炉已采用三个单相变压器供电，变压器呈三角形布置,变压器二次出线基本上为侧部出线。这样做可以缩短变压器到电极的距离，降低短网阻抗，有利于提高电炉的热效率和功率因数。一些电炉还装有星角转换装置，改变电源一次侧接法可以使二次电压改变倍以满足工艺操作对烘炉和冶炼制度的要求。为了适应各种电源条件，一次电压等级有6KV、10KV、35KV及110KV。但是,只有很少部分电炉变压器采用有载分接开关，大部分电炉变压器仍采用无载调压方式,而且选择电气参数不合理的工业硅炉也较多。由于很多地区供电条件不好,为了补偿功率因数，在变压器的一次侧、二次侧、第三线圈及短网接入电容器进行补偿。
1.2.2.用电负荷
工业硅电炉常以电炉变压器容量或电炉功率来衡量其规模。近几年,由于国内工业硅炉建设受业主和电炉设计单位及冶炼条件的限制，变压器额定容量常常不能反映实际输入电炉能量，实际生产中电炉变压器超负荷在20～60％下运行。这样虽然能使工业硅炉适应变化的冶炼条件，对调整冶炼工艺参数有很大益处,但是,长期超负荷运行已使很多工业硅企业因设备故障率高、热停炉时间长而造成技术经济指标差,企业无效益甚至亏损。
1.2.3.短网
目前,我国工业硅炉容量在6300KVA以上特别是用炭素电极的几乎都采用在电极上完成三角形接线，而容量较小的采用石墨电极的，则也有在二次硬母线上完成三角形接线。为了提高工业硅炉功率因数,10000KVA以下的中小型炉采用铜排为导电母线的较多。但是,也有很多工业硅炉为了节省投资均采用铜管为导电母线,这种结构的短网相对功率因数较低、电能损失增加。
1.3.电极系统
电极系统由电极把持器、电极升降装置、电极压放装置等组成。国内工业硅炉的电极把持器有顶丝、锥形环、液压锥块式、波纹管压力环和液压缸压力环把持器等几种结构类型。电极把持器应能保证铜瓦与电极有良好接触使电流均匀分布在电极上，以减少接触电阻热损失并保证铜瓦长期不打弧。现在有少量工业硅炉已采用液压锥块式、波纹管和油缸压力环,这样可以保证每块铜瓦与电极紧密接触。而锥形环虽然结构简单，但可靠性略差,铜瓦因打弧损坏严重。组合式把持器是挪威埃肯公司开发的,在结构上组合把持器把铜瓦和压紧机构结合成一个整体，主要应用在使用自焙电极的大型工业硅电炉上,电极壳筋片延伸到电极壳外，铜瓦直接夹持筋片。
国内常用的电极升降装置有卷扬机传动和液压机构传动两种。尽管前者占用空间较大，给加料设施布置、电极接长带来一定困难，但由于其安全可靠，维修方便，一些中小型电炉仍然采用这种结构。液压传动机构分为缸体运动和柱塞运动两种方式。为了做到升降平稳、油缸同步运动，电极系统结构设计应做到均衡对称，连接方式采用球形铰接。石墨电极和炭素电极自重很大，电极移动过快会使电极内部产生应力。电极升降装置的起升力除要考虑电极自重和把持筒等机械设备重量外；还应考虑到电极与炉料的作用以及把持筒与炉盖密封件的摩擦力。电极行程通常为1200～1500mm。
电极压放装置为抱闸式机构，现在使用的有带式、碟形弹簧式和气囊式几种。少数工业硅炉抱闸机构由上抱闸、下抱闸和压放缸组成,以便于压放和倒拔电极,而大部分工业硅炉只有单抱闸和压放缸。
1.4.加料系统
加料系统只应用于国内几台大型工业硅炉上,中小型工业硅炉采用人工加料法而没有加料系统。
1.5.烟罩
近年来,我国对工业硅企业的环保要求很严,工业硅冶炼过程产生大量CO浓度很高的炉气，同时带走大量粉尘。为使电炉烟气含尘量达到排放和使用标准，大部分工业硅炉已采用烟罩或密闭的炉盖将烟气收集起来，经烟道送人除尘系统。而20世纪80年代、90年代建成的敞口电炉炉气在炉口燃烧，烟气温度很高，不能直接进入布袋收尘器，在风机和布袋之前必须设有冷却器或余热锅炉以降低烟气温度。采用矮烟罩装置能大大减少烟气排放量，提高烟气温度，有助于回收余热，降低投资和运行费用。
随着人们对环境保护认识的不断提高，为了有效地改善电炉周围的工作条件，近几年来，国内不少厂家相继投产了数十座6300KVA以上容量的半封闭电炉。这些电炉烟罩的结构形式大部分为水冷钢型骨架、骨架之间放置水冷盖板、烟罩内部打制耐火混凝土防火材料的结构形式。这种结构形式，在生产运行过程中存在着较为严重的问题，即水冷骨架经常漏水造成热停炉，并且难于维修。据从某些厂家多年的运行实践统计来看，因骨架漏水造成的热停炉时间占全部热停炉时间的50%。因此，烟罩骨架漏水事故给生产厂带来了很大的经济损失。
1.6.捣炉设备
我国6300KVA及以下容量的工业硅炉绝大多数仍使机械捣炉机,这种捣炉机虽然结构简单,但是力量小、易损坏配件,这样就造成了捣炉工作效率低,而维修工作量大、费用高是最大的缺点。
现在,有些工业硅炉正在使用的全液压捣炉机,由于国内设计制作的全液压捣炉机结构较简单、投资又低,因此,在工业硅企业很快就得到应用。但是,实际使用效果表明:由于这种捣炉机捣杆油缸动作速慢,油缸工作环境温度高隔热难度大而造成液压系统运行不正常。因此,只能在小容量或大木炭生产工艺的工业硅炉上应用。另一种半液压捣炉机因具备捣炉力量大、速度快的高工作效率而迅速推广应用。
2.国内工业硅电炉设备现状
在我国工业硅电炉的发展历程中，不同时期借鉴了世界上不同国家的先进技术。20世纪50年代由苏联引进的敞口电炉，填补了我国工业硅电炉设备的空白。从此，在全国陆续建成相同结构的电炉。其主要结构特点为：电极的升降是由卷扬机驱动，电极的压放是采用停电方式完成。电极把持器是由半环和螺栓组成，靠人工扳手拧螺栓来实现铜瓦的夹紧和松开电极。其缺点是：机械化程度低，劳动强度大，污染严重。在20世纪80年代以后，设计单位引用铁合金炉设备技术,研制了国内半封闭式矮烟罩工业硅电炉。因而我国的少数电炉的功率调节就可采用了液压缸升降电极，锥形环式油压把持器；压放装置采用了块式、带式或气囊式抱闸。煤气和废气开始回收利用或净化处理，自动化水平有了一定的提高。但是这类电炉仍存在的不足是：采用锥形环式把持器，铜瓦不能均匀的接触电极，铜瓦打弧损坏和偏流的现象时常发生，功率损耗大，对电极的压放不利，作业率普遍较低。
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